Android系統如何通過NTP協議自動同步時間，以及NTP服務的關鍵代碼邏輯

作者：Reathin 2024-05-27 08:25:05

NTP 的主要目標是提供高準確性的時間。NTP 版本 4 (NTPv4) 可以提供毫秒級的精度，而更先進的實現（如 RFC 5905 中定義的 NTP Secure 或 Precision Time Protocol, PTP）可以提供微秒或納秒級的精度。

NTP網絡時間協議

NTP (Network Time Protocol) 網絡時間協議用于同步計算機系統之間的時鐘。NTP允許計算機時鐘與參考時鐘源（如原子鐘、GPS 接收器或其他 NTP 服務器）進行同步，時間的準確性對于金融交易、網絡通信、科學研究和安全系統等應用來說至關重要。

NTP協議特點和功能：

「準確性」：NTP 的主要目標是提供高準確性的時間。NTP 版本 4 (NTPv4) 可以提供毫秒級的精度，而更先進的實現（如 RFC 5905 中定義的 NTP Secure 或 Precision Time Protocol, PTP）可以提供微秒或納秒級的精度。
「層次結構」：NTP 使用層次結構來組織服務器。時間信息從參考時鐘源（稱為“一級”服務器）流向“二級”服務器，再流向“三級”服務器，以此類推。每個服務器都會增加一定的延遲和誤差，NTP 算法會盡力補償這些誤差。
「時間同步」：NTP 通過交換時間戳和延遲測量來同步時間。NTP 客戶端向服務器發送一個時間請求，服務器響應時附帶當前時間戳。客戶端然后計算往返延遲，使用這些信息來調整其本地時鐘。
「可伸縮性」：NTP 可以在各種規模的網絡中運行，從小型局域網到全球互聯網。NTP 服務器可以支持大量客戶端，并且通過負載均衡和冗余來提高可靠性和可用性。
「安全性」：NTP 的安全性是一個重要問題，因為惡意服務器可能嘗試提供錯誤的時間信息。NTP Secure (RFC 5905) 提供了一種加密和認證機制，可以確保時間信息的完整性和真實性。
「廣播和多播」：NTP 支持廣播和多播模式，大量客戶端可以同時從單個服務器獲取時間信息。
「兼容性」：NTP 與之前的互聯網時間同步協議（如 ICMP 時間戳和 Daytime 協議）兼容，并提供了更高級別的準確性和功能。

Android NTP時間同步機制

Android系統的NTP時間同步通過訪問Internet上的NTP服務器來自動更新時間。基本原理是通過NTP協議與NTP服務器進行通信，獲取當前準確的時間，然后同步到本地設備中。NTP服務器會返回一個時間戳，時間戳表示NTP服務器所認為的當前標準時間，Android設備可以通過與本地系統時間進行比較，得出本地設備對準確時間的偏差，并進行時間校正。

自動同步時間時區配置：

進入“設置”->“日期和時間”->“使用網絡提供的時間”菜單。
打開“自動確定時區”和“自動確定日期和時間”選項，讓設備自動選擇最佳的NTP服務器進行同步。

源碼分析

NTP是Android原生通過網絡獲取時間的機制，關鍵代碼邏輯在NetworkTimeUpdateService，NetworkTimeUpdateService是Android系統服務，由SystemServer啟動。

「初始化」

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/NetworkTimeUpdateService.java
public NetworkTimeUpdateService(Context context) {
    mContext = context;
    //NtpTrustedTime用于獲取網絡時間
    mTime = NtpTrustedTime.getInstance(context);
    mAlarmManager = mContext.getSystemService(AlarmManager.class);
    mTimeDetector = mContext.getSystemService(TimeDetector.class);
    mCM = mContext.getSystemService(ConnectivityManager.class);

    Intent pollIntent = new Intent(ACTION_POLL, null);
    //創建mPendingPollIntent，用于發送定時廣播
    mPendingPollIntent = PendingIntent.getBroadcast(mContext, POLL_REQUEST, pollIntent, 0);
    // 請求服務器頻率 86400000ms = 24h
    //從配置文件LINUX/android/frameworks/base/core/res/res/values/config.xml中解析獲得
    mPollingIntervalMs = mContext.getResources().getInteger(com.android.internal.R.integer.config_ntpPollingInterval);
    //請求時間間隔60000ms = 10min
    mPollingIntervalShorterMs = mContext.getResources().getInteger(com.android.internal.R.integer.config_ntpPollingIntervalShorter);
    //最大嘗試次數 3        
    mTryAgainTimesMax = mContext.getResources().getInteger(com.android.internal.R.integer.config_ntpRetry);

    mWakeLock = context.getSystemService(PowerManager.class).newWakeLock(PowerManager.PARTIAL_WAKE_LOCK, TAG);
}

構造方法中主要是對各種變量進行初始化操作，NetworkTimeUpdateService在SystemServer.java創建時，被SystemServer調用。

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/NetworkTimeUpdateService.java
/** Initialize the receivers and initiate the first NTP request */
public void systemRunning() {
    //注冊廣播
    registerForAlarms();
    //初始化Handler
    HandlerThread thread = new HandlerThread(TAG);
    thread.start();
    mHandler = new MyHandler(thread.getLooper());
    //向ConnectivityManager注冊網絡狀況監聽
    mNetworkTimeUpdateCallback = new NetworkTimeUpdateCallback();
    mCM.registerDefaultNetworkCallback(mNetworkTimeUpdateCallback, mHandler);
    //使用ContentObsrver監聽Settings.Global.AUTO_TIME值的變化
    mAutoTimeSettingObserver = new AutoTimeSettingObserver(mContext, mHandler,
            EVENT_AUTO_TIME_ENABLED);
    mAutoTimeSettingObserver.observe();
}

private void registerForAlarms() {
    mContext.registerReceiver(new BroadcastReceiver() {
        @Override
        public void onReceive(Context context, Intent intent) {
            mHandler.obtainMessage(EVENT_POLL_NETWORK_TIME).sendToTarget();
        }
    }, new IntentFilter(ACTION_POLL));
}

調用registerForAlarms，注冊一個廣播接收者，接收ACTION_POLL廣播，收到后向消息隊列發送一個EVENT_POLL_NETWORK_TIME的事件。
向ConnectivityManager注冊網絡狀況監聽。
監聽Settings.Global.AUTO_TIME值的變化。

「NetworkTimeUpdateCallback」

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/NetworkTimeUpdateService.java
// 定義和注冊監聽
mNetworkTimeUpdateCallback = new NetworkTimeUpdateCallback();

mCM.registerDefaultNetworkCallback(mNetworkTimeUpdateCallback, mHandler);

private class NetworkTimeUpdateCallback extends NetworkCallback {
    @Override
    public void onAvailable(Network network) {
        Log.d(TAG, String.format("New default network %s; checking time.", network));
        mDefaultNetwork = network;
        // Running on mHandler so invoke directly.
        onPollNetworkTime(EVENT_NETWORK_CHANGED);
    }

    @Override
    public void onLost(Network network) {
        if (network.equals(mDefaultNetwork)) mDefaultNetwork = null;
    }
}

NetworkTimeUpdateCallback實現了NetworkCallback接口，當回調onAvailable（網絡切換/可用）時，賦值mDefaultNetwork并調用onPollNetworkTime(EVENT_NETWORK_CHANGED)方法。

「AutoTimeSettingObserver」

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/NetworkTimeUpdateService.java
mAutoTimeSettingObserver = new AutoTimeSettingObserver(mContext, mHandler,EVENT_AUTO_TIME_ENABLED);
mAutoTimeSettingObserver.observe();

/**
 * Observer to watch for changes to the AUTO_TIME setting. It only triggers when the setting
 * is enabled.
 */
private static class AutoTimeSettingObserver extends ContentObserver {

    private final Context mContext;
    private final int mMsg;
    private final Handler mHandler;

    AutoTimeSettingObserver(Context context, Handler handler, int msg) {}

    void observe() {
        ContentResolver resolver = mContext.getContentResolver();
        resolver.registerContentObserver(Settings.Global.getUriFor(Settings.Global.AUTO_TIME),false, this);
    }

    @Override
    public void onChange(boolean selfChange) {
        if (isAutomaticTimeEnabled()) {
            mHandler.obtainMessage(mMsg).sendToTarget();
        }
    }

    /**
     * Checks if the user prefers to automatically set the time.
     */
    private boolean isAutomaticTimeEnabled() {
        ContentResolver resolver = mContext.getContentResolver();
        return Settings.Global.getInt(resolver, Settings.Global.AUTO_TIME, 0) != 0;
    }
}

監聽Settings.Global.AUTO_TIME的變化，當值改變且AUTO_TIME != 0 時，向消息隊列發送一個類型為EVENT_AUTO_TIME_ENABLED的消息。

「MyHandler」

/** Handler to do the network accesses on */
private class MyHandler extends Handler {

    MyHandler(Looper l) {
        super(l);
    }

    @Override
    public void handleMessage(Message msg) {
        switch (msg.what) {
            case EVENT_AUTO_TIME_ENABLED:
            case EVENT_POLL_NETWORK_TIME:
            case EVENT_NETWORK_CHANGED:
                onPollNetworkTime(msg.what);
                break;
        }
    }
}

Handler發送的所有消息最終都會調用onPollNetworkTime。

「onPollNetworkTime」

private void onPollNetworkTime(int event) {
    // If we don't have any default network, don't bother.
    if (mDefaultNetwork == null) return;
    mWakeLock.acquire();
    try {
        onPollNetworkTimeUnderWakeLock(event);
    } finally {
        mWakeLock.release();
    }
}

當前無網絡情況直接返回，并使用PowerManager.WakeLock調用onPollNetworkTimeUnderWakeLock(event)。

private void onPollNetworkTimeUnderWakeLock(int event) {
    // 使用NtpTrustedTime獲取網絡時間
    NtpTrustedTime.TimeResult cachedNtpResult = mTime.getCachedTimeResult();

    //cachedNtpResult.getAgeMillis()是上次請求ntp服務器的時間
    //如果大于等于1天，則強制刷新時間
    if (cachedNtpResult == null || cachedNtpResult.getAgeMillis() >= mPollingIntervalMs) {
        if (DBG) Log.d(TAG, "Stale NTP fix; forcing refresh");
        //該方法是個阻塞方法
        mTime.forceRefresh();
        cachedNtpResult = mTime.getCachedTimeResult();
    }

    //cachedNtpResult.getAgeMillis() < 1天
    if (cachedNtpResult != null && cachedNtpResult.getAgeMillis() < mPollingIntervalMs) {
        //設置定時廣播，1天后觸發
        resetAlarm(mPollingIntervalMs);

        // Suggest the time to the time detector. It may choose use it to set the system clock.
      // 設置系統時間
        TimestampedValue<Long> timeSignal = new TimestampedValue<>(
                cachedNtpResult.getElapsedRealtimeMillis(), cachedNtpResult.getTimeMillis());
        NetworkTimeSuggestion timeSuggestion = new NetworkTimeSuggestion(timeSignal);
        timeSuggestion.addDebugInfo("Origin: NetworkTimeUpdateService. event=" + event);
        mTimeDetector.suggestNetworkTime(timeSuggestion);
    } else {
        mTryAgainCounter++;
        if (mTryAgainTimesMax < 0 || mTryAgainCounter <= mTryAgainTimesMax) {
            //設置定時廣播，10分鐘后觸發
            resetAlarm(mPollingIntervalShorterMs);
        } else {
            //設置定時廣播，1天后觸發
            mTryAgainCounter = 0;
            resetAlarm(mPollingIntervalMs);
        }
    }
}

調用了resetAlarm()，該方法定時發送ACTION_POLL廣播。

private void resetAlarm(long interval) {
    mAlarmManager.cancel(mPendingPollIntent);
    long now = SystemClock.elapsedRealtime();
    long next = now + interval;
    mAlarmManager.set(AlarmManager.ELAPSED_REALTIME, next, mPendingPollIntent);
}

NetworkTimeUpdateService啟動后有兩種方式觸發時間更新。

網絡發生變化。
Settings中的AUTO_TIME開關變化(自動同步日期時區開關)。

最終都會調用onPollNetworkTimeUnderWakeLock去設置時間，根據獲取的cachedNtpResult情況設置不同時間的定時廣播再去嘗試更新時間。

責任編輯：武曉燕來源：沐雨花飛蝶